5. 5.1 preparación de soluciones - acervos digitales...
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5. Resultados
5.1 Preparación de soluciones
Se tomó un volumen de aproximadamente 10L de agua de la llave de la UDLA-P
(dureza 800ppm) que fueron colocados en cubetas, se eligió que las cubetas de color
blanco fueran las que identificarían al hidróxido de sodio (NaOH) y las de color azul al
hidróxido de calcio (Ca(OH)2).
La cantidad de la sal del metal que fue necesaria agregar a las cubetas por cada
10L de acuerdo a la relación de partes por millón registrada del metal en el agua se
encuentra en las siguientes tablas.
Tabla 5.1 Cantidades de sal de cadmio agregadas a las cubetas para la simulación de el agua residual.
Sulfato de cadmio 112 mg Cd ► 768 mg 3CdSO4.8H2O ► 0.7680 g 3CdSO4.8H2O 10 mg Cd ► 68.5714 mg 3CdSO4.8H2O ► 0.0686 g 3CdSO4.8H2O /L
0.6857 g 3CdSO4.8H2O /10L
Tabla 5.2 Cantidades de sal de aluminio agregadas a las cubetas para la simulación de el agua residual.
Sulfato de aluminio 27 mg Al ► 342 mg Al2(SO4)3 ► 0.3420 g Al2(SO4)3
80 mg Al ► 1013.3333 mg Al2(SO4)3 ► 1.0133 g Al2(SO4)3 /L 10.1333 g Al2(SO4)3 /10L
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Tabla 5.3 Cantidades de sal de hierro agregadas a las cubetas para la simulación de el agua residual.
Sulfato de plomo 207 mg Pb ► 303 mg PbSO4 ► 0.3030 g PbSO4
50 mg Pb ► 73.1884 mg PbSO4 ► 0.0732 g PbSO4 /L 0.7319 g PbSO4 /10L
Tabla 5.4 Cantidades de sal de plomo agregadas a las cubetas para la simulación de el agua residual.
Sulfato de fierro (II) 56 mg Fe ► 278 mg FeSO4.7H2O ► 0.2780 g FeSO4.7H20
300 mg Fe ► 1489.2857 mg FeSO4.7H2O ► 1.4893 g FeSO4.7H2O/L 14.8929 g FeSO4.7H2O/10L
Tabla 5.5 Cantidades de sulfato férrico agregadas a las cubetas para la simulación de el agua residual.
Sulfato de fierro (III)
56 mg Fe ► 400 mg Fe2(SO4)3 ► 0.4000 g Fe2(SO4)3
300 mg Fe ► 2142.8571 mg Fe2(SO4)4 ► 2.1429 g Fe2(SO4)3/L 21.4286 g Fe2(SO4)3/10L
5.2 Prueba de Jarras
Mediante esta técnica se ajusto el pH de las soluciones iniciales, es decir de la
mezcla del agua de la llave del laboratorio de Ingeniería Ambiental de la UDLA-P y las
sales del metal que ayudaron a simular el agua residual de una industria, este ajuste fue
necesario para que precipitación de los lodos se llevara a cabo puesto que a un pH
alcalino se ha comprobado que hay un precipitado considerable y con la adición de
agentes precipitantes ayudó al vire de neutro a alcalino.
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Los pH se comportaron de la siguiente manera:
Tabla 5.6 Registro de pH inicial y final para cada una de las soluciones de trabajo
Sal Precipitante pH inicial pH final
3CdSO4.8H2O NaOH 7 9.9 3CdSO4.8H2O Ca(OH)2 7 10.1
Al2(SO4)3 NaOH 6 9.9 Al2(SO4)3 Ca(OH)2 6 10
Fe3(SO4)2 NaOH 5.5 10 FeSO4.7H20 Ca(OH)2 6.5 10
PbSO4 NaOH 7 9.9 PbSO4 Ca(OH)2 7 10.1
La siguiente imagen muestra de que manera se colocaron las cubetas para la
prueba de jarras, las de color blanco representan en hidróxido de sodio (NaOH) y las de
color azul al hidróxido de calcio (Ca(OH)2).
Figura 5.1 Prueba de jarras para un volumen de 10L.
51
En la prueba de jarras es donde dan las siguientes reacciones, donde participan la
sal metálica y el agente precipitante.
• Cadmio
4224
4224
)()(
)(2
CaSOOHCdOHCaCdSO
SONaOHCdNaOHCdSO
+↓→+
+↓→+
• Aluminio
432342
423342
3)(2)(3)(
3)(26)(
CaSOOHAlOHCaSOAl
SONaOHAlNaOHSOAl
+↓→+
+↓→+
• Plomo
4224
4224
)()(
)(
CaSOOHPbOHCaPbSO
SONaOHPbNaOHPbSO
+↓→+
+↓→+
• Fierro
4224
423342
)()(
3)(26)(
CaSOOHFeOHCaFeSO
SONaOHFeNaOHSOFe
+↓→+
+↓→+
5.3 Ajuste de pH
Para que se realizara la precipitación de los metales que contiene el agua de la
llave de la UDLA, fue necesario hacer un ajuste de pH ya que estudios anteriores
recomiendan que el pH óptimo para la precipitación alcalina es de 9.5 a 11, y la mayoría
de los metales presentan mejor comportamiento a un pH de 10 (ver Figura 3.6 y 3.7) ,
es por esta razón que se decidió trabajar en este valor, las soluciones iniciales tenían un
pH menor (ver Tabla 5.6) para el cambio el ajuste de este se pudo realizar por la adición
52
de agentes precipitantes alcalinos, para este caso se utilizó hidróxido de sodio 1M
(NaOH) e hidróxido de calcio (Ca(OH)2), la Figura 3.6 es una curva que presenta las
solubilidades de diferentes metales a diferentes pH´s que ayuda a ver en que valor de
este ultimo los metales de trabajo presentan el un grado de insolubilidad considerable
que permitan la formación del lodo.
Los ajustes de pH con los agentes precipitantes se realizaron de una manera
sencilla como ir agregando cierta cantidad conocida de cada hidróxido hasta que en el
potenciómetro marcara el valor de 10, esto que se hizo es la titulación de un ácido, esto
se sabe por el comportamiento de las curvas que es parecido al que se muestra en la
Figura 5.2.
Las curvas deben de presentar una tendencia para que se pueda apreciar el
cambio de pH de ácido a base o viceversa, la imagen siguiente es una curva típica de
titulación de un ácido, donde se aprecia como línea recta es donde se encuentra el punto
de equivalencia.
Figura 5.2 Curva típica de titulación.
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Ahora contando con las cubetas preparadas ya con la sal metálica agregada se
empezó a mezclar las cantidades conocidas de hidróxido de calcio e hidróxido de sodio
en gramos y mililitros respectivamente para hacer la titulación, los valores de
precipitante se resumen en las tablas siguientes junto con su gráfica para ver de que
manera se comportó e identificar en que parte de la curva típica de titulación se
encuentra.
5.3.1 Curvas de titulación para cadmio
• Con NaOH
Tabla 5.7 Datos para la curva de titulación para el sulfato de cadmio
Soln. 1 3CdSO4.8H2O
mL añadidos pH mL añadidos pH 0 7 32 9.1 1 7.4 35 9.22 2 7.6 37 9.3 4 8 40 9.36 7 8.2 42 9.4 8 8.27 45 9.46 10 8.4 47 9.5 12 8.6 52 9.45 15 8.6 55 9.54 17 8.6 57 9.6 22 8.75 62 9.75 27 8.9 65 9.84 29 8.98 67 9.9
54
5
6
7
8
9
10
11
12
0 10 20 30 40 50 60 7
mL de NaO H
pH
0
Figura 5.3 Curva de titulación de sulfato de cadmio con NaOH
• Con Ca(OH)2
Tabla 5.8 Datos para la curva de titulación para el sulfato de cadmio
Soln. 1 3CdSO4.8H2O
gr añadidos pH 0 7
1.0004 8.2 1.50635 8.45 2.0123 8.7 2.5133 8.85 3.0143 9 3.6167 9.15 4.2191 9.3 4.9768 9.45 5.7345 9.6 6.3862 9.85 7.0379 10.1
55
5
6
7
8
9
10
11
0 1 2 3 4 5 6 7 8 gr de Ca(OH)2
pH
Figura5.4 Curva de titulación de sulfato de cadmio con Ca(OH)2
5.3.2 Curvas de titulación para el Aluminio
• Con NaOH
Tabla 5.9 Datos para la curva de titulación para el sulfato de aluminio
Soln. 2 Al2(SO4)3
mL añadidos pH mL añadidos pH 0 6 45 8.421 7.2 47 8.5 2 7.2 52 8.754 7.2 55 8.9 7 7.3 57 9
10 7.3 62 9.0515 7.3 65 9.0817 7.3 67 9.1 22 7.4 72 9.3 27 7.5 75 9.4230 7.68 77 9.5 32 7.8 85 9.5835 7.98 87 9.6 37 8.1 92 9.7540 8.22 95 9.8442 8.3 97 9.9
56
4
5
6
7
8
9
10
11
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
mL de NaO H
pH
Figura 5.5 Curva de titulación de sulfato de aluminio con NaOH.
• Con Ca(OH)2
Tabla 5.10 Datos para la curva de titulación para el sulfato de aluminio
Soln. 2 Al2(SO4)3
gr añadidos pH 0 6
1.0048 7.5 1.6138 7.75 2.2228 8 2.8283 8.25 3.4338 8.5 4.0347 8.75 4.6356 9 5.23985 9.25 5.8441 9.5 6.46335 9.75 7.0826 10
57
4
5
6
7
8
9
10
11
0 1 2 3 4 5 6 7
gr de Ca(O H)2
pH
8
Figura 5.6 Curva de titulación de sulfato de aluminio con Ca(OH)2
5.3.3 Curvas de titulación para el Plomo
• Con NaOH
Tabla 5.11 Datos para la curva de titulación para el sulfato de plomo
soln.4 PbSO4
mL añadidos pH mL añadidos pH 0 7 45 9.121 7.7 47 9.162 7.8 49 9.2 4 8 52 9.265 8.06 55 9.327 8.18 57 9.369 8.3 59 9.4
12 8.36 62 9.4315 8.42 65 9.4619 8.5 67 9.4822 8.56 69 9.5 25 8.62 72 9.5629 8.7 75 9.6232 8.79 77 9.6635 8.88 79 9.7 37 8.94 82 9.7639 9 85 9.8242 9.06 89 9.9
58
5
6
7
8
9
10
11
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
mL de NaO H
pH
Figura 5.7 Curva de titulación de sulfato de plomo con NaOH
• Con Ca(OH)2
Tabla 5.12 Datos para la curva de titulación para el sulfato de plomo
Soln. 4 PbSO4
gr añadidos pH 0 7
1.0075 8 1.6095 8.25 2.2115 8.5 2.8368 8.65 3.4621 8.8 4.2158 8.95 4.9695 9.1 5.7214 9.3 6.4733 9.5 5.63735 9.8 8.1452 10.1
59
5
6
7
8
9
10
11
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
gr de Ca(O H)2
pH
Figura 5.8 Curva de titulación de sulfato de plomo con Ca(OH)2
5.3.4 Curvas de titulación para el Fierro
• Con NaOH
Tabla 5.13 Datos para la curva de titulación para el sulfato de fierro
Soln. 3 FeSO4
mL añadidos pH mL añadidos pH 0 5.5 72 8.251 6 75 8.4 2 6.2 77 8.5 4 6.4 82 8.657 6.5 85 8.74
17 6.5 87 8.8 27 6.5 92 9 37 6.5 95 9.1247 6.8 97 9.2 50 6.92 102 9.2252 7 105 9.2255 7.12 107 9.5 57 7.2 112 9.5260 7.44 115 9.5262 7.6 117 9.7 65 7.84 122 9.8567 8 125 9.9470 8.15 127 10
60
4
5
6
7
8
9
10
11
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
mL de NaO H
pH
Figura 5.9 Curva de titulación de sulfato de fierro con NaOH
• Con Ca(OH)2
Tabla 5.14 Datos para la curva de titulación para el sulfato de fierro
Soln. 3 FeSO4.7H20
g añadidos pH 0 6.5
1.0094 7.3 1.6115 7.35 2.2136 7.4 2.8445 7.45 3.4754 7.5 4.23605 7.75 4.9967 8 5.7657 8.35 6.5347 8.7 7.29605 8.9 8.0574 9.1 9.06565 9.55 10.0739 10
61
4
5
6
7
8
9
10
11
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
gr de Ca(O H)2
pH
Figura 5.10 Curva de titulación de sulfato de fierro con Ca(OH)2
Por la tendencia general de la líneas se puede apreciar en cada uno de los
gráficos anteriores que si comportan como una curva típica de titulación pero no
completa por que no se esta partiendo de un pH tan bajo si no que se partió de
soluciones con pH neutro (pH=7) y pH menores a 7 (ver Tabla 5.6), así que las gráficas
presentan la forma de la parte superior de la curva típica de titulación, es decir se trabaja
el la zona de arriba de la “S” que forma la curva completa.
Al ir agregando el agente precipitante el pH cambiaba, para el hidróxido de
sodio era más lento el cambio por eso hay más puntos en las gráficas, para el hidróxido
de calcio se comportó de manera diferente, desde la primera cantidad añadida se
registraba un ligero cambio en el pH, es por eso que los puntos en los gráficos son
menos y en algunas de ellas la tendencia de la línea se ve un poco frustrada o que tiene
62
mas forma de línea recta pero se nota que hay un cambio de pH que es lo importante y
que el valor final de este es de 10.
Ya que se ajusto el pH de las soluciones se dejo precipitar los lodos en cada una
de las cubetas aproximadamente 24 horas para que se lograra que las muestras que se
obtuvieran fueran buenas, así es el aspecto del precipitado después de un día de reposo.
• Cadmio
Figura 5.11 Precipitado resultante de Hidróxido de sodio con sulfato de cadmio e hidróxido de calcio
con sulfato de cadmio respectivamente.
• Aluminio
Figura 5.12 Precipitado resultante de Hidróxido de sodio con sulfato de aluminio e hidróxido de calcio
con sulfato de aluminio respectivamente.
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• Plomo
Figura 5.13 Precipitado resultante de Hidróxido de sodio con sulfato de plomo e hidróxido de
calcio con sulfato de plomo respectivamente.
• Fierro
Figura 5.14 Precipitado resultante de Hidróxido de sodio con sulfato de fierro e hidróxido de calcio
con sulfato de fierro respectivamente.
El sobrenadante de las cubetas para cada uno de los metales con los dos agentes
precipitantes es diferente, para el cadmio y el plomo se ve turbio de color blanquizco
mas para el caso del hidróxido de calcio (ver Figura 5.11 y 5.13), el volumen de los
lodo es mayor, para el hidróxido de sodio el volumen de lodo para cadmio es menor,
este comportamiento se notó en todas las soluciones que fueron tratadas con NaOH, el
clarificado de las demás soluciones en especial las del aluminio mostraron una claridad
especial pareciera que se había precipitado completamente, para el caso del fierro se
formó una especie de nata del color del metal (verde y amarillo) respectivamente, el
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volumen para el fierro fue el mayor que el de los demás metales de trabajo de los cuales
se obtuvo también un precipitado.
Después que se determinaron las reacciones que se llevan a cabo en la
precipitación alcalina, se espera que el lodo que se encuentra en el fondo de la cubeta
este compuesto en mayor proporción por el hidróxido de metal formando por eso se
analizó cuantitativamente en que proporción se encuentra el metal como tal en el lodo y
también la dosificación del coagulante por litro de agua residual, el sobrenadante
también contiene restos de hidróxido de metal y precipitante pero en una cantidad
insignificante por eso no se considera, esto es importante por que el metal es la parte
principal del compuesto pues es el que va a perdurar durante todos los procesos de
elaboración del pigmento inorgánico y el que va a dar el color característico del óxido
final, y del precipitante se formarán gases en el ultimo paso de este proceso.
La siguiente tabla muestra los miligramos de cada metal que se encontraron
relacionando el peso molecular del hidróxido formado (lodo) y del metal de trabajo, en
base húmeda es decir en el precipitado.
Se incluye la eficiencia de remoción que es el valor que expresa que cantidad de
metal se pudo separar para formar los nuevos compuestos, por que si se analizan las
reacciones de precipitación, no solo se forma el hidróxido de metal completamente
existen otros compuestos que están dentro de la solución.
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Tabla 5.15 Cantidad de metal en miligramos que esta presente por litro de solución de agua residual
mg metal/L agua
% d eficiencia de remoción
30.54237 93.854 cadmio 52.49640 98.750 plomo 158.00000 96.330 aluminio
NaOH
206.50000 99.041 fierro
30.54237 93.854 cadmio 52.49640 98.750 plomo 158.00000 96.330 aluminio
Ca(OH)2
394.04013 99.495 fierro
Como se nota son los mismos valores para el hidróxido de calcio que para el
hidróxido de sodio excepto por el ultimo que corresponde al fierro ya que se trabajo con
sulfato de fierro (II) con Ca(OH)2 y sulfato de fierro (III) con NaOH.
Las cantidades de metal en la solución están íntimamente ligadas con el peso
molecular de las sales y de la cantidad que se agrego de cada una de ellas a las cubetas
de 10L es por eso que los valores son idénticos para los dos coagulantes con los que se
trabajo, lo que cambia es la dosis de agente precipitante en las soluciones que se agrego
para el cambio de pH.
Las siguientes gráficas son una representación de los datos contenidos en la
Tabla 5.15.
66
0
50
100
150
200
250
mg
met
al/L
agu
a
Concentración de metal en el agua residual con NaOH
Cd y NaOH 30.54237
Al y NaOH 158.00000
Pb y NaOH 52.49640
Fe y NaOH 206.50000
exp
Figura 5.15 Concentración de cada metal de trabajo en miligramos por cada litro de solución
de agua residual con el coagulante NaOH.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
mg
met
al/l
agua
Concentración de metal en agua residual con Ca(OH)2
Cd y Ca(OH)2 30.54237
Al y Ca(OH)2 158.00000
Pb y Ca(OH)2 52.49640
Fe y Ca(OH)2 394.04013
exp
Figura5.16 Remoción de cada metal de trabajo en miligramos por cada litro de solución de
agua residual con el coagulante Ca(OH)2.
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La dosificación del agente precipitante en el lodo de acuerdo a cada uno de los
metales de trabajo es:
Tabla 5.16 Dosificación del agente precipitante para cada uno de los metales de trabajo en Kg por litro
de agua residual.
Dosificación (Kg agente
precipitante/L agua residual)
cadmio 0.000268 plomo 0.000356
aluminio 0.000388 NaOH
fierro 0.000508 cadmio 0.000704 plomo 0.000815
aluminio 0.000708 Ca(OH)2
fierro 0.001007
Expresados los siguientes datos en forma gráfica se aprecian de la siguiente
manera:
0.00000
0.00020
0.00040
0.00060
0.00080
0.00100
0.00120
Kg
prec
ipita
nte/
L so
luci
ón
Dosificación
Dosificación NaOH 0.000268 0.000356 0.000388 0.000508
Dosificación Ca(OH)2 0.000704 0.000815 0.000708 0.001007
cadmio plomo aluminio fierro
Figura 5.17 Dosificación de NaOH y Ca(OH)2 para cada uno de los metales de trabajo
68
La humedad de los lodos es un parámetro importante aunque se intuye que el
valor de esta sea alto pues los lodos están húmedos parte de la consistencia que
presentan es por que están contenidos en agua, para cerciorar que la humedad de los
lodos es alta se calculó con la ecuación 5.1 y los resultados son los siguientes:
Tabla 5.17 Humedad calculada para los lodos húmedos.
Peso inicial sal (g/10L)
Peso inicial sal (g/L)
Peso de precipitado/L
g de precipitante
añadido
Peso total (sal+precipitante) % Humedad
0.68571 0.06857 0.01700 0.26800 0.33657 94.94907 10.13333 1.01333 0.02461 0.38800 1.40133 98.24368 0.73188 0.07319 0.02258 0.35600 0.42919 94.73842
NaOH
14.89286 1.48929 0.03222 0.50800 1.99729 98.38662 0.68571 0.06857 0.44050 7.03790 7.10647 93.80142 10.13333 1.01333 0.50981 7.08260 8.09593 93.70294 0.73188 0.07319 0.50981 8.14520 8.21839 93.79677
Ca(OH)2
21.42860 2.14286 0.63052 10.07390 12.21676 94.83887
De manera gráfica se hace una comparación de los valores de humedad para
cada uno de los hidróxidos que se emplearon.
Los valores que se registran para ambos precipitantes para cada uno de los
metales que de trabajo no se encuentra un valor menor al 90% de humedad, y como se
había comentado anteriormente era de esperarse ya que se tiene un lodo húmedo, parte
de su estado es agua, para el hidróxido de sodio los valores son del 95% y 98% , para el
hidróxido de calcio son del 93% y 94%, estos valores se ven influidos directamente por
la cantidad de precipitado que se obtuvo, como para el NaOH la cantidad de lodo fue
69
menor cuando se decantó la solución se dejó mas agua para no perder tanto del mismo,
es por eso que la humedad que se registra es mayor que para el Ca(OH)2.
%Humedad en lodos humedos
94.94907 94.73842
98.24368 98.38662
93.7029493.80142
94.83887
93.79677
91
92
93
94
95
96
97
98
99
Cadmio Plomo Aluminio Hierro
Metales y Precipitane
%H
umed
ad
Metal y NaOH Metal y Ca(OH)2
Figura 5.18 Humedad calculada para los lodos húmedos de acuerdo a los hidróxidos empleados.
5.4 Secado
Después de decantar las soluciones que se precipitaron, los lodos que se
obtuvieron se depositaron en charolas de acero inoxidable para secarlos, por cuestiones
de rapidez para que este proceso fuera más rápido se requirió de parrillas por que de otra
manera se tendrían que dejar los precipitados extendido en la carola a la intemperie el
tiempo necesario para que el aspecto de las muestras fuera completamente seco y desde
la decantación no se les podía retirar completamente el agua presente y este tiempo
70
estimado sobrepasaba las 24 horas de exposición, así que se secaron durante
aproximadamente 2 horas cada una de las charolas con los lodos en las parrillas como se
ve en las siguientes imágenes.
• Cadmio
Figura 5.19 Hidróxido de cadmio secándose (lado izquierdo con NaOH y lado derecho con Ca(OH)2)
• Aluminio
Figura 5.20 Hidróxido de aluminio secándose (lado izquierdo con Ca(OH)2 y lado derecho con NaOH)
• Plomo
Figura 5.21 Hidróxido de plomo secándose (lado izquierdo con NaOH y lado derecho con Ca(OH)2)
71
• Fierro
Figura 5.22 Hidróxido de fierro secándose (lado izquierdo con Ca(OH)2 y lado derecho con NaOH)
El aspecto de los lodos durante el secado fue diferente al que se notaba cuando
todavía estaban en las cubetas antes de la decantación a pesar de estar todavía
completamente húmedos, para el cadmio el precipitado era completamente blanco, con
poco turbidez en comparación con el precipitado del fierro, este ultimo se notaba mas
denso, espeso, el hidróxido de aluminio también se mostró casi blanco pero se notaba
mas turbidez que en el cadmio, el plomo fue uno de los primeros lodos en secarse, claro
que el volumen de los mismos fue menor que el de otros metales en solución.
Después del secado en las parrillas de los nuevos hidróxidos hubo cambios
físicos para cada uno de los metales, se había retirado casi por completo el agua
presente pero aún no se tiene el oxido del metal que es el que va a determinar el color
del pigmento, así se notan los hidróxidos de metal nuevos, el volumen se vio afectado
pues ahora el aspecto es como polvo.
72
• Cadmio
Figura 5.23 Cadmio seco (lado izquierdo con NaOH y lado derecho con Ca(OH)2)
• Aluminio
Figura 5.24 Aluminio seco(lado izquierdo con Ca(OH)2 y lado derecho con NaOH)
• Plomo
Figura 5.25 Plomo seco (lado izquierdo con NaOH y lado derecho con Ca(OH)2)
73
• Fierro
Figura 5.26 Fierro seco (lado izquierdo con Ca(OH)2 y lado derecho con NaOH)
Los lodos secos ya secos fueron de color similar al que presentaban cuando se
encontraban el las cubetas destinadas para la precipitación alcalina, a pesar de estar
secándose a una temperatura mayor a la temperatura ambiente no se modificó el color,
el volumen obviamente disminuyo considerablemente, a simple vista se nota que con el
hidróxido de calcio se producen mas lodos, en el caso del plomo con hidróxido de sodio
fue muy poco el desecho sólido que se obtuvo por eso se cuido demasiado cuando se
decanto, con los otros metales también se cuido que no se perdiera precipitado en la
decantación pero era mayor el volumen de lodos.
El tamaño de partícula también cambia por ejemplo el del aluminio con ambos
precipitantes y el del fierro es de mayor tamaño comparado con el del cadmio o el
plomo, es por eso que se necesito hacer un molido en un mortero de porcelana para que
se disminuyera el tamaño de partícula del lodo seco y se pudiera calcinar de mejor
manera.
74
5.5 Producción de lodos
Para saber que cantidad de lodo se obtuvo, primero se molieron un poco los
lodos secos, se pasaron de las charolas de acero inoxidable a crisoles para que se
pudieran pesar mejor y para dejarlos preparados para el proceso de calcinación, en las
siguientes tablas esta registrados los pesos de lodos según el agente precipitante que se
utilizó.
• Con NaOH
Tabla 5.18 Producción de lodos con hidróxido de sodio para cada metal de trabajo.
NaOH
Lodo
(g precipitado/10L)Lodo
(g precipitado/L)
Cadmio 1.4598 0.14598 Aluminio 6.5112 0.65112
Fierro 9.8242 0.98242 Plomo 2.8576 0.28576
• Con Ca(OH)2
Tabla 5.19 Producción de lodos con hidróxido de sodio para cada metal de trabajo.
Ca(OH)2
Lodo
(g precipitado/10L) Lodo
(g precipitado/L)
Cadmio 12.9898 1.29898 Aluminio 15.1894 1.51894
Fierro 13.6357 1.36357 Plomo 16.0288 1.60288
De acuerdo a las Tablas 5.18 y 5.19, si se hace una comparación entre ellas se
puede asegurar que con el hidróxido de calcio se produce mayor cantidad de lodos, de
alguna manera era de esperarse ya que en el momento de agregar el agente precipitante
75
para que se ajustar el pH se notaba enseguida un precipitado blanco con el hidróxido de
calcio y con el hidróxido de sodio únicamente se veía el cambio de pH, fue hasta
después del tiempo que se empleo para la reposo de las soluciones cuando se noto la
presencia de un precipitado.
Para el plomo y el aluminio con hidróxido de calcio fue necesario emplear otro
crisol por que no fue suficiente la capacidad del primer crisol para contener la muestra
completa.
La proporción del metal en el lodo seco también fue calculado, tomando en
cuenta la relación inicial que se encontró de miligramos de metal por litro de agua
residual y el peso del lodo seco (ver Tabla 5.20).
Tabla 5.20 Miligramos de metal por kilogramos de precipitado seco
mg metal/Kg precipitado seco
cadmio 209266.00124 plomo 82100.03265
aluminio 555672.78610 NaOH
fierro 216402.58216
cadmio 23696.09664 plomo 213.81025
aluminio 708.20260 Ca(OH)2
fierro 289822.76423
Estos valores deben ser comparados con los valores máximos permisibles que
establecen las normas mexicanas NOM-001 SEMARNAT, NOM-002-SEMARNAT
(ver Anexo A)
76
Lo anterior representa las ppm de metal que se encuentran por cada kilogramos
de lodo, se puede expresar en porcentaje:
Tabla 5.21 Porcentaje de metal en el lodo seco
Agente Metal g lodo/10L mg lodo /L % metal NaOH cadmio 1.4595 145.95 20.92660
Ca(OH)2 cadmio 12.8892 1288.92 2.36961 NaOH plomo 2.8434 284.34 55.56728
Ca(OH)2 plomo 2231 1591.58 9.92724 NaOH aluminio 6.3942 639.42 8.21000
Ca(OH)2 aluminio 2455.28 1501.04 3.49734 NaOH fierro 9.5424 954.24 21.64026
Ca(OH)2 fierro 13.5959 1359.59 28.98228
Gráficamente los resultados se pueden ver de la siguiente manera:
% metal contenido en el lodo seco
0
10
20
30
40
50
60
Metal y Precipitante
%m
etal
Metal y NaOH Metal y Ca(OH)2
Metal y NaOH 20.92660 55.56728 8.21000 21.64026
Metal y Ca(OH)2 2.36961 9.92724 3.49734 28.98228
cadmio plomo aluminio fierro
Figura 5.27 Porcentaje de cada metal contenido en el lodo seco por precipitante utilizado.
77
Generalizando los resultados, se observa que para el hidróxido de sodio es más
alto el porcentaje de metal en el lodo y los valores varían de 8 a 55% aproximadamente,
el plomo es el que más esta presente en el lodo formado por el NaOH y el aluminio el
que esta en menos proporción, y con el hidróxido de calcio es menor esto quiere que por
todo el lodo seco producido solo se tiene el porcentaje que muestra la tabla de datos de
la Figura 5.15 de metal y el resto esta compuesto por agua, y otros compuestos que
participan en la reacción, estos valores varían de 10 hasta 29%, para este caso el cadmio
es el que esta en menor proporción y el fierro en mayor proporción.
Para comparar individualmente los porcentajes de metal con los precipitantes se
presentas las siguientes figuras:
0
5
10
15
20
25
%ca
dmio
Precipitante
% de cadmio en el lodo seco
Cadmio 20.92660 2.36961
NaOH Ca(OH)2
Figura 5.28 Porcentaje del cadmio en el lodo seco con los dos precipitantes alcalinos.
78
0
20
40
60
80
100
120
140
160
% p
lom
o
Precipitante
% de plomo en el lodo seco
Plomo 150.46186 25.91834
NaOH Ca(OH)2
Figura 5.29 Porcentaje del plomo en el lodo seco con los dos precipitantes alcalinos.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
%A
lum
inio
Precipitante
% de Aluminio en el lodo seco
Aluminio 8.21000 3.49734
NaOH Ca(OH)2
Figura 5.30 Porcentaje del aluminio en el lodo seco con los dos precipitantes alcalinos.
79
0
5
10
15
20
25
30
% F
ierr
o
Precipitante
% Fierro en el lodo seco
Fierro 21.64026 28.98228
NaOH Ca(OH)2
Figura 5.31 Porcentaje del fierro en el lodo seco con los dos precipitantes alcalinos.
Las gráficas anteriores es solo para tener una visibilidad más amplia de la
diferencia de proporciones de metal respecto a los agentes precipitantes con los que se
trabajo.
5.6 Determinación de la humedad marginal en los lodos secos
La humedad marginal es aquella que queda en la muestra y que no puede ser
removida por ningún aparato, esta se elimina para este caso hasta que las muestras se
sometan a la calcinación.
Las muestras después de secarse en las charolas de acero inoxidable se
depositaron en crisoles que anteriormente habían sido sometidos y llevados a peso
80
constante para que al agregar la muestra del metal no hubiera variaciones en el peso, los
lodos obtenidos también se trataron el la estufa para llevarlas a un peso constante y así
con los gramos que registraba la balanza analítica se determinara cuantitativamente el
porcentaje de humedad marginal.
La fórmula que se empleo para este cálculo es la siguiente:
100*%cs
sh
mmmm
HM−−
=
Ecuación 5.1 Formula para calcular la humedad marginal en las muestras después del secado.
Donde:
mh= masa antes del secado
ms= masa después del secado
mc= masa del crisol
Se hicieron tres mediciones de peso en gramos de los crisoles con los lodos ya
secos en un tiempo aproximado de 24 horas, la primera pesada fue después de 12 horas,
la segunda a 15 horas y la tercera las 24 horas todas las muestras a una temperatura
constante de 100ºC.
Después de aplicar la ecuación anterior se obtuvieron los siguientes resultados
de humedad marginal para las tres pesadas de crisoles y muestra que se hicieron.
81
Tabla 5.22 Humedad marginal calculada para la tercer pesada de crisol y muestra juntos.
Metal precipitado
Agente precipitante
Peso inicial crisol
Peso inicial muestra Peso total 3er. Pesada (24
horas @ 100ºC) % Humedad
marginal
Cadmio NaOH 20.0078 1.4598 21.4676 21.4673 0.0206 Cadmio Ca(OH)2 19.0155 12.9898 32.0053 31.9047 0.7745 Plomo NaOH 12.468 2.8576 15.3256 15.3114 0.4969 Plomo Ca(OH)2 24.4614 11.9728 36.4342 36.3224 0.9338 Plomo Ca(OH)2 17.9926 4.056 22.0486 22.0474 0.0296
Aluminio NaOH 26.4127 6.5112 32.9239 32.8069 1.7969 Aluminio Ca(OH)2 21.4118 10.7726 32.1844 32.0062 1.6542 Aluminio Ca(OH)2 18.8554 4.4168 23.2722 23.2714 0.0181
Hierro NaOH 20.8195 9.8242 30.6437 30.3619 2.8684 Hierro Ca(OH)2 24.5867 13.6357 38.2224 38.1826 0.2919
%Humedad marginal para 3ra. Pesada (24hrs.@100ºC)
0.0206
0.4969
1.7969
2.8684
0.2919
1.6542
0.93380.7745
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Cadmio Plomo Aluminio Fierro
Metal y Precipitante
%H
umed
ad M
argi
nal
Metal y NaOH Metal y Ca(OH)2
Figura 5.32 Comparación de humedad marginal entre metales de trabajo y agente precipitante utilizado para la tercer pesada de crisoles y muestra juntos
82
La humedad marginal cambia un poco en cada pesada, las primeras dos pesadas
son muy parecidas aunque se nota un aumento en el valor de la ultima columna de la
Tabla 5.23, ya en la tercera pesada es mayor el valor por que se removió más agua que
se encontraba alrededor de la muestra, en la muestra y en el crisol que la contiene
cuando se pesaba en la balanza analítica se registraba una variación de
aproximadamente 0.0003g que es una cantidad mínima y así se decide que se a llegado
a un peso constante.
Como se observa en las gráficas la humedad marginal es más alta con el
hidróxido de sodio que con el hidróxido de calcio por que el Ca(OH)2 tiende a retener
más humedad, es decir el deshacerse de los protones de la molécula implica un consumo
de energía mayor como el ser sometido a temperaturas más elevadas que al NaOH.
5.7 Calcinación
Cuando se determinó que las muestras habían llegado aun peso constante se
preparó el horno en el que se iban a colocar las muestras a una temperatura de 1000ºC+
2ºC, los lodos se sometieron a este tratamiento por un tiempo aproximado de 2 horas
mas el tiempo que tardo el equipo en llagar al set-point deseado y el tiempo que se
necesito para que se enfriara y llegara a una temperatura adecuada para poder abrirlo ya
que si se habré enseguida o a una temperatura mayor a 150ºC puede dañarse el equipo y
la persona que lo esta operando, en total se ocupo el horno para la calcinación por
aproximadamente 24 horas por que el tiempo de enfriamiento es mucho mayor que el de
83
calentamiento, de hecho fue necesario ocupar un ventilador para ayudar a que se
enfriara.
Después de terminado el tiempo de calcinación se tiene como resultado los
óxidos del metal, el calentamiento a alta temperatura ayudó a eliminar por completo los
hidrógenos que todavía existían en la muestra es por eso que se tiene como resultado
óxidos y estos son los que se necesitan para pigmentar, en el momento que se termina la
calcinación se a elaborado un pigmento inorgánico.
Las reacciones que se llevan a cabo durante la calcinación son las siguientes:
• Cadmio
OHCdOOHCd 22)( +→Δ
• Aluminio
OHOAlOHAl 2323 3)(2 +→Δ
• Plomo
OHPbOOHPb 22)( +→Δ
• Hierro
OHOFeOHFe
OHFeOOHFe
2323
22
3)(2
)(
+→
+→Δ
Δ
El aspecto de los lodos calcinados se muestra en la siguiente figura:
84
Cadmio y NaOH Plomo y
NaOH Aluminio y
NaOH Fierro y Ca(OH)2
Cadmio y Ca(OH)2
Plomo y Ca(OH)2 Aluminio y
Ca(OH)2 Fierro y NaOH
Figura 5.33 Óxidos del metal obtenidos después de la calcinación.
Para cada metal lucen de la siguiente manera:
• Cadmio
Figura 5.34 Óxidos del cadmio obtenidos después de la calcinación (lado derecho con Ca(OH2), lado
izquierdo con NaOH)
85
• Aluminio
Figura 5.35 Óxidos de aluminio obtenidos después de la calcinación (lado derecho con Ca(OH2), lado
izquierdo con NaOH)
• Plomo
Figura 5.36 Óxidos del pomo obtenidos después de la calcinación (lado derecho con Ca(OH2), lado
izquierdo con NaOH)
• Hierro
Figura 5.37 Óxidos del fierro obtenidos después de la calcinación (lado derecho con Ca(OH2), lado
izquierdo con NaOH)
86
Como se observa en las Figuras 5.36, 5.37, 5.38 y 5.39 , los colores que se
obtuvieron son diferentes a los de los lodos secos, para el cadmio con NaOH se tornó un
poco amarillo y con Ca(OH)2 permaneció de color blanco el resultado es bueno ya que
el oxido de cadmio proporciona color blanco aunque no es el único color, puede ser
rojo, verde, amarillo, para el aluminio con ambos precipitantes la coloración del óxido
fue blanca, no hubo cambio de color el aluminio se esperaba que fuera blanco, el plomo
si cambio de color, con hidróxido de sodio y calcio fue rojo aunque con el primer
hidróxido la intensidad del color fue mayor, el fierro conservo el color que se presento
desde el momento de la precipitación alcalina verde para el fierro (II) y amarillo para el
fierro (III).
Después que las muestras fueron retiradas del horno se colocaron en un
desecador y después de aproximadamente 10 minutos se volvieron a pesar para ver
cuanto se había producido de óxido de metal, la tabla que se presenta a continuación
muestra el peso total de muestra y crisol y la humedad removida que se calculó con la
ecuación 5.1.
Como en las muestras antes de ser calcinadas la humedad marginal aumentaba
conforme se estabilizaba el peso de los crisoles y la muestra, en el caso de las
soluciones calcinadas la humedad removida aumento hasta completarse la remoción
completa de agua en la muestra esto como consecuencia de someterlas a una
temperatura alta, esto es lógico puesto que una muestras que es sometida a una
calcinación, implica la eliminación de cualquier residuo de agua alrededor de la misma,
el valor esperado de humedad en la muestra era 0% y este valor fue el que se obtuvo.
87
Se realizó una segunda calcinación para ver si se encontraba un vire de color
más significativo en los óxidos ya obtenidos de la primera calcinación, esta vez fue a
una temperatura de 550ºC por un tiempo aproximado de 8 horas, incluyendo tiempo de
calentamiento y enfriamiento del horno, y al sacar las muestras se notó ningún cambio
en los crisoles con los óxidos obtenidos anteriormente, el color y la consistencia de los
óxidos fue exactamente la misma que en la primera calcinación.
Se calculó la humedad removida para comparar con la de la primera calcinación
y los resultados obtenidos no muestran diferencias significativas, por lo menos no en la
penúltima columna de la Tabla 5.25 donde el valor sigue siendo el máximo obviamente
por que ya no se podía retirar mas humedad de la muestra y del crisol que la contenía,
ahora se puede decir que se tiene un óxido de metal que en nombre comercial es
conocido como un pigmento inorgánico.
Tabla 5.23 Peso final después de la segunda calcinación y humedad de la muestra.
Peso inicial crisol
Peso inicial
muestra Peso total metal
precipitadoAgente
precipitante Peso total %
Humedad removida
Peso total de óxido
20.0078 1.4598 21.4673 Cadmio NaOH 20.8244 100.0000 0.6429 19.0155 12.9898 31.9047 Cadmio Ca(OH)2 26.4994 100.0000 5.4053 12.468 2.8576 15.3114 Plomo NaOH 14.2613 100.0000 1.0501 24.4614 11.9728 36.3224 Plomo Ca(OH)2 31.7794 100.0000 4.543 17.9926 4.056 22.0474 Plomo Ca(OH)2 20.4331 100.0000 1.6143 26.4127 6.5112 32.8069 Aluminio NaOH 30.98 100.0000 1.8269 21.4118 10.7726 32.0062 Aluminio Ca(OH)2 27.1337 100.0000 4.8725 18.8554 4.4168 23.2714 Aluminio Ca(OH)2 21.8072 100.0000 1.4642 20.8195 9.8242 30.3619 Hierro NaOH 29.7773 100.0000 0.5846 24.5867 13.6357 38.1826 Hierro Ca(OH)2 32.2165 100.0000 5.9661
88
Se calculó también los miligramos de metal que existen por kilogramos de óxido
que existen en la muestra que se obtuvo, los datos se presentan en la siguiente tabla:
Tabla 5.24 Miligramos de metal por cada kilogramo de calcinado
mg metal/Kg calcinado
cadmio 375813.6198 plomo 114776.3411
aluminio 886146.9434 NaOH
fierro 232304.3693 cadmio 41430.23994 plomo 61158.24514
aluminio 168745.728 Ca(OH)2
fierro 516279.6693
Comparando las Tablas 5.20 y 5.27, hay un aumento en las ppm de metal de
lodo seco a lodo calcinado esto se debe a que cuando las muestras se someten a un
tratamiento a alta temperatura se eliminan compuestos y comienza a concentrarse el
óxido del metal, por eso hay un aumento en los valores.
Expresando en porcentaje la cantidad de metal en el óxido que se formó, la cual
se obtiene de relacionar el porcentaje de metal en el lodo seco y la humedad marginal de
la muestra antes de ser sometidas a la calcinación. Los resultados son:
89
Tabla 5.25 Porcentaje de metal contenido en el óxido formado después de la calcinación.
Agente Metal g/10L mg lodo/l %metal NaOH cadmio 0.8127 81.27 47.50719
Ca(OH)2 cadmio 7.372 737.2 5.65045 NaOH plomo 1.783 178.3 150.46186
Ca(OH)2 plomo 9.3632 936.32 25.91834 NaOH aluminio 4.5738 457.38 28.73524
Ca(OH)2 aluminio 8.5837 858.37 7.60434 NaOH fierro 8.8892 888.92 353.23298
Ca(OH)2 fierro 7.6323 763.23 66.04652
Al igual que las ppm del metal en el lodo calcinado, el porcentaje aumento por la
misma razón, hay una eliminación de subproductos para que quede en mayoría el óxido
de metal.
Gráficamente los datos se deben e ver escalonados para cada metal,, por q hay
un aumento de concentración.
Los datos de la Tabla 4.28 se encuentran en la siguiente gráfica, el
comportamiento es el mismo que para el porcentaje en el lodo seco, hay mayor
proporción en las soluciones tratadas con NaOH (hidróxido de sodio)
90
% metal contenido en el lodo calcinado
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Metales y Precipitante
%m
etal
Metal y NaOH Metal y Ca(OH)2
Metal y NaOH 47.50719 150.46186 28.73524 353.23298
Metal y Ca(OH)2 5.65045 25.91834 7.60434 66.04652
cadmio plomo aluminio fierro
Figura 5.38 Porcentaje de metal en el óxido formado después de la calcinación para cada precipitante.
Individualmente los porcentajes se observan de la siguiente manera:
0
10
20
30
40
50
%Ca
dmio
Precipitantes
%cadmio en el lodo calcinado
Cadmio 47.50719 5.65045
NaOH Ca(OH)2
Figura 5.39 Porcentaje de cadmio en el óxido de cadmio formado después de la calcinación
91
0
20
40
60
80
100
120
140
160
% P
lom
o
Precipitantes
% de Plomo en el lodo calcinado
Plomo 150.46186 25.91834
NaOH Ca(OH)2
Figura 5.40 Porcentaje de plomo en el óxido de plomo formado después de la calcinación
0
5
10
15
20
25
30
% A
lum
inio
Precipitante
% Aluminio en el lodo calcinado
Aluminio 28.73524 7.60434
NaOH Ca(OH)2
Figura 5.41 Porcentaje de aluminio en el óxido de aluminio formado después de la calcinación
92
0
50
100
150
200
250
300
350
400
% F
ierr
o
Preipitantes
%Fierro en el lodo calcinado
Fierro 353.23298 66.04652
NaOH Ca(OH)2
Figura 5.42 Porcentaje de fierro en el óxido de fierro formado después de la calcinación
Cuando se hace la calcinación de los hidróxidos para convertirlos a óxidos hay
una formación de gases, que también se le puede llamar perdida de peso teórica, por que
es la relación estequiométrica de las reacciones de calcinación, el agua es lo que se
evapora así que la suma del agua que se evapora de la reacción principal que es la
formación del óxido deseado y de las reacciones secundarias que es donde se da la
formación del óxido de calcio u óxido de sodio , es la perdida de peso teórica.
Para la perdida de peso real o experimental es solo la resta de los pesos que se
registraron en la balanza analítica antes de entrar al proceso de calcinación y después de
la quema.
93
Los datos de la perdida de peso real o experimental se encuentran en la siguiente
tabla:
Tabla 5.26 Perdida de peso real o experimental después del calcinación
metal precipitado
Agente precipitante
Peso total de óxido
mg calcinado/L
Perdida de peso experimental
%
Cadmio NaOH 0.6429 64.29 3.0872 Cadmio Ca(OH)2 5.4053 540.53 20.3978 Plomo NaOH 1.0501 105.01 7.3633 Plomo Ca(OH)2 4.543 454.3 14.2954
Aluminio NaOH 1.8269 182.69 5.8970 Aluminio Ca(OH)2 4.8725 487.25 17.9574
Hierro NaOH 0.5846 58.46 1.9632 Hierro Ca(OH)2 5.9661 596.61 18.5188
% de perdida de peso experimetal para cada metal
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Metales y precipitante
% P
erdi
da d
e pe
so
Perdida de peso real con NaOH 3.0872 7.3633 5.8970 1.9632
Perdida de peso real con Ca(OH)2 20.3978 14.2954 17.9574 18.5188
Cadmio Plomo Aluminio Hierro
Figura 5.43 Perdida de peso real o experimental de cada uno de los metales con los dos precipitante
94
Los rendimientos del proceso de calcinación es lo más importante dentro después de
todos los pasos experimentales que se llevaron a cabo por que es aquí donde se
determina la cantidad de óxido que se obtuvo, y que es lo que se va a comercializar para
los diferentes usos que se le puede dar a un pigmento inorgánico y ver si es viable
económicamente la producción de estos.
Los resultados son los siguientes:
Tabla 5.27 Miligramos de óxido por litro de agua residual (rendimiento) con hidróxido de sodio.
NaOH
g oxido/L mg oxido/L
mg oxido/Kg lodo
precipitado
Cadmio 0.6429 642.9 4404027.949 Plomo 1.0501 1050.1 1612759.553
Aluminio 1.8269 1826.9 1859591.621 Hierro 0.5846 584.6 2045772.676
Tabla 5.28 Miligramos de óxido por litro de agua residual (rendimiento) con hidróxido de calcio.
Ca(OH)2
g oxido/L mg oxido/L
mg oxido/Kg lodo
precipitado
Cadmio 5.4053 5405.3 4161188.009 Plomo 6.1573 6157.3 4053682.173
Aluminio 6.3367 6336.7 4647139.494 Hierro 5.9661 5966.1 3722112.697
95
5.8 Vidriado Ya que se obtuvieron los óxidos después de la calcinación, se decidió que era
una opción para comprobar el color de los óxidos el colocarles una mezcla de vidrio
(ver Figura 4.3) y ver de que manera se comportaba, por estudios previos se determino
que la mejor proporción de materiales para la obtención de vidrio es la siguiente:
Tabla 5.29 Proporción de materiales para la formación de 1g de vidrio
Material Mezcla (%)
Mezcla (g)
Sílice 45% 0.45 Cal 10% 0.1
Carbonato de Calcio 25% 0.25 Oxido 10% 0.1 Arcilla 10% 0.1
Se decidió hacer combinaciones entre los óxidos de cadmio, aluminio, plomo y
fierro para observar la coloración que se obtenía, las concentraciones de óxido que se
utilizaron fueron 0%, 35%, 70% y 100% , entonces para 0% se tendrán los óxidos de
cadmio, plomo y aluminio solos, para 100% el de fierro solo, para 35 y 70% si habrá
proporciones para los dos metales que formen la mezcla por que se considera para la
mezcla de óxidos el 35% del primer metal y el 65% del segundo metal, es por eso que
para 0% y 100% se tiene a las óxidos de cadmio, aluminio, plomo y fierro
respectivamente, la Tabla 5.28 resume los gramos de cada metal para cada
concentración correspondiente así como las mezclas que se trabajaron, los valores que
se encuentran en negritas y a un tamaño menor son los que por eliminación quedaron
fuera pues seria la repetición de alguna proporción que ya se había definido.
96
Las mezclas se hicieron para los óxidos que se obtuvieron con hidróxido de
sodio (NaOH) y con hidróxido de calcio (Ca(OH)2), son 6 mezclas de óxidos, cuatro
proporciones en porcentaje de mezcla de óxidos, por lo tanto se tiene que preparar 32
navecillas de cerámica.
Tabla 5.30 Gramos de cada metal que compone la mezcla dispuesta para el vidriado de acuerdo a la concentración en porcentaje que se manejo.
0% 35% 70% 100% g g g g
Cd 0.1 0.035 0.07 0
Pb 0 0.065 0.03 0.1
Cd 0.1 0.035 0.07 0
Al 0 0.065 0.03 0.1
Cd 0.1 0.035 0.07 0 Fe 0 0.065 0.03 0.1 Pb 0.1 0.035 0.07 0
Al 0 0.065 0.03 0.1
Pb 0.1 0.035 0.07 0
Fe 0 0.065 0.03 0.1
Al 0.1 0.035 0.07 0
Fe 0 0.065 0.03 0.1
Los gramos de cada metal y los demás componentes del vidrio fueron colocados
en navecillas de cerámica de 72mm (ver capítulo de Materiales y métodos), de cada
mezcla se preparo 1g pero el la navecilla no se colocó el gramo completo, la siguiente
tabla resume que cantidad de mezcla que se coloco en cada una de las 32 navecillas que
se usaron.
Los recuadros dentro de la Tabla 5.29 que se encuentran con un guión significa
que esa mezcla u óxido simple no se trabajo al porcentaje que se indica, esto como
97
consecuencia de la eliminación que se mencionó anteriormente para las mezclas de la
Tabla 5.28.
Tabla 5.31 Cantidad en gramos que se coloca en cada navecilla de mezcla de vidrio según los porcentajes a los que se trabajo.
0% 35% 70% 100%
NaOH Ca(OH)2 NaOH Ca(OH)2 NaOH Ca(OH)2 NaOH Ca(OH)2
Cd 0.3011 0.2842 - - - - - -
Pb 0.2383 0.2711 - - - - - -
Al 0.3226 0.2672 - - - - - -
Fe - - - - - - 0.3504 0.3106
Cd-Pb - - 0.3489 0.3593 0.4684 0.6218 - -
Cd-Al - - 0.4605 0.3614 0.6538 0.5683 - -
Cd-Fe - - 0.4371 0.3891 0.5744 0.6023 - -
Pb-Al - - 0.4071 0.4464 0.5482 0.5958 - -
Pb-Fe - - 0.3582 0.3901 0.5871 0.5642 - -
Al-Fe - - 0.4052 0.413 0.5695 0.5679 - -
Así se observan las navecillas con la mezcla de vidrio antes de ser tratadas a alta
temperatura:
98
Figura 5.44 Navecillas con la mezcal de vidrio antes de colocarlas en el horno, para porcentajes de 0 y
35%
Figura 5.45 Navecillas con la mezcal de vidrio antes de colocarlas en el horno, para porcentajes de 0 y 35%
Ya preparadas las navecillas con la mezcla de vidrio, se colocaron en el horno
(ver Tabla 4.1) a una temperatura de 1150ºC durante aproximadamente 9 horas mas
tiempo de calentamiento y enfriamiento que esto suma aproximadamente 28 horas,
cuando se sacaron del equipo se tuvo cuidado por que el vidrio si esta a una temperatura
alta y se expone a temperatura ambiente se cuartea, esto probablemente por el cambio
de temperatura pues a alta temperatura el comportamiento del vidrio es diferente y al
estar en contacto con humedad se daña el aspecto del vidrio.
Así se ven los vidrios que se formaron con las proporciones y los componentes
antes mencionados:
99
• Para 0%
Figura 5.46 Color y aspecto de los vidrios para una concentración de 0%.
Con esta resolución, con la iluminación y a la distancia a la que se tomo la
fotografía se nota que todos los vidrios tienen un color azulado y la forma del cristal no
se aprecia para nada simplemente se ve la navecilla coloreada, para esto se tomaron
fotografías de cada una de las navecillas desde el lente del microscopio estereoscópico
que se utilizó de la manera mas clara que se pudo para ver el color mas de cerca y la
apariencia del estos, si son opacos o mas brillantes o si se nota una coloración diferente
que a simple vista.
Para la forma del cristal se utilizó un microscopio Zeiss (ver Tabla 4.1), este
equipo es para objetos transparentes, para este caso se utilizó la lámpara de un
microscopio estereoscópico para proporcionar luz y que la cámara-video sony detectara
la imagen aunque no se pudo fotografiar a todas las navecillas, se tomaron dos para la
concentración de 0% para describirlas y observar de que manera se ven los cristales
formados.
100
Tabla 5.32 Color de los vidrios obtenidos de las fotografía para cada metal con el microscopio estereoscópico
NaOH 0% Ca(OH)2
Cd
Cd
Pb
Pb
Al
Al
Con lo que respecta a los colores se puede observar que el cadmio con NaOH es
blanco y opaco comparando con el cadmio con Ca(OH)2 que es de color verdoso y mas
brillante, la textura de ambos es gruesa como si estuviera muy pegado a las paredes de
la navecilla, para el plomo con los dos hidróxidos se nota una coloración azul pero es
mas brillante con NaOH pareciera que hay una capa muy fina y transparente y después
se ven los cristales coloreados, con Ca(OH)2 el azul es menos intenso y los cristales no
se ven tan definidos como con el hidróxido de sodio, para el aluminio el color es
blanquizco para los dos casos, esto se aprecia a simple vista si se acerca la navecilla lo
suficiente al ojo directamente sin usar el microscopio, los dos se muestran opacos y
como si estuvieran demasiado pegados a la navecilla y la textura es gruesa como densa.
101
En realidad los colores que se obtuvieron no son exactamente los que
teóricamente deben dar pues para el plomo se esperaba rojo o en tonos rojizos, para el
cadmio y el aluminio si dieron colores de óxidos de ese metal que existen blanco y azul
de cadmio y blanco de aluminio, esto de debe muy probablemente a la concentración de
óxido que se manejo, si se aumentara la cantidad en gramos de estos y se probara se
tendrían otras conclusiones o disminuir la misma, pero por cuestiones de tiempo ya no
se realizaron mas pruebas de vidrio.
Figura 5.47 Cristales de dos mezclas de vidrio, lado derecho cadmio y lado izquierdo aluminio tomadas
con un microscopio Zeiss de alta resolución.
Las capas de vidrio se ven definidas en formas simétricas como triángulos,
cuadrados y rectángulos, para el cadmio se ve como una capa sobre los cristales y para
aluminio los cristales se ven enseguida, bien definidos pero mas gruesos, los puntos
negros que se aprecian en ambas fotografías son residuos de material que no quedo
dentro de la mezcla que se formó cuando se sometieron las probetas a alta temperatura o
contaminación por polvo pues las muestras estabas expuestas a la intemperie y el
microscopio que se utilizó es de alta resolución puede captar partículas muy finas,
102
• Para 35%
Figura 5.48 Color y aspecto de los vidrios para una concentración de 35%.
Igualmente para estos vidrios la resolución de la cámara no proporciona una
buena visión de los resultados para esta concentración, aunque ahora si se ve más
variedad de color, para el cadmio y aluminio se ve mas blanco, para el cadmio con
plomo un poco azulado, para el cadmio con fierro rojizo aunque de cerca es mas rojizo
el color en especial es las orillas es como si se hubiera concentrado en esa parte de la
navecilla el óxido que proporciona la coloración, para el aluminio con plomo se ve
blanquizco también, para el aluminio con fierro el aspecto es moteado, es decir no hay
una coloración pareja en la navecilla y se concentra mas el color en las orillas de la
misma, para el plomo con fierro los colores son rojizos.
103
Ahora para extender un poco más las observaciones anteriores se presenta una
tabla donde se aprecian fotografías de cada una de las combinaciones tomadas por el
lente del microscopio estereoscópico de la manera más clara posible.
Tabla 5.33 Color de los vidrios obtenidos de las fotografía para cada metal con el microscopio
estereoscópico
NaOH 35% Ca(OH)2
Cd-Al
Cd-Al
Cd-Pb
Cd-Pb
Cd-Fe
Cd-Fe
Al-Pb
Al-Pb
Al-Fe
Al-Fe
Pb-Fe
Pb-Fe
104
Para la primera mezcla que se maneja que es cadmio con aluminio el color es
blanco opaco esto se nota por que la trama blanca que aparecer es el reflejo de la luz y
se nota como interfiere la superficie del vidrio para la dispersión de esta, para la
segunda mezcla el color es mas verdosa, para la que fue tratada con Ca(OH)2 se nota
opaca en comparación con la misma combinación pero tratada con NaOH donde se ve la
forma de los cristales mas definidos y una capa fina y transparente sobre ellos que hace
ver a la superficie mas brillante, para la tercera mezcla que se forma de cadmio con
fierro las dos presentaron tonos rojizos aunque en partes se nota verdoso el color, este es
por que no es pareja la coloración a lo largo de la navecilla, se congrega en las orillas
dándole un aspecto moteado al vidrio, con hidróxido de sodio es mas brillante la
superficie que con Ca(OH)2, la combinación de aluminio con plomo tanto el color como
el brillo son muy similares, blanco y opaco, la forma de los cristales no esta definida y
se nota como esta el vidrio esta pegado a las paredes de la navecilla, la textura es densa,
la quinta mezcla la forman aluminio y fierro, ambos son brillantes y los cristales se ven
definidos y cubiertos con una capa fina transparente que hace que el reflejo de luz se
vea parejo, con NaOH el color no es parejo, se ve moteado, para el Ca(OH)2 es mas
parejo el color pero aun sigue presentando zonas poco coloridas a lo largo de la
superficie de la navecilla, la ultima combinación es plomo con fierro, con NaOH el
color es en tonos rojizos y con Ca(OH)2 es verdoso, se nota que esta moteada la
superficie, la formación de cristales se ve bien definida y el aspecto de la superficie es
brillante.
Los colores que se obtuvieron son lógicos, blancos para el cadmio con aluminio,
verde para el cadmio con plomo, rojizo y verde par el cadmio con fierro, el aluminio
105
con plomo pigmento blanco, aluminio y plomo con fierro colorearon en tonos rojizos
para el fierro (III) y verse para el fierro (II).
Figura 5.49 Cristales de mezclas de vidrio, lado izquierdo superior aluminio-fierro tratados con
Ca(OH)2, lado derecho superior cadmio-fierro tratados con NaOH, inferior centro cadmio-aluminio con Ca(OH)2, todas tomadas con un microscopio Zeiss de alta resolución.
Las capas de vidrio tienen formas simétricas como cuadrados, rectángulos y
triángulos, la fotografía del lado derecho superior es mas opaca que las demás,
corresponde al cadmio, la siguiente es cadmio y fierro, se nota que la coloración es más
oscura que el resto de las fotografías, en todos las pruebas de vidrio el fierro dio la
coloración mas intensa y en colores rojos y verdes respectivamente, en este caso los
cristales son brillantes, para la fotografía del centro inferior el color de los cristales de
vidrio se nota con coloración oscura pero brillante, se trata de cadmio con aluminio que
a simple vista se torna en colores blanquizcos, de las tres fotografías la mas brillante es
la de fierro (superior derecha) y también en donde se ven mejor definidos los cristales.
106
Los puntos negros que aparecen en las fotografías son residuos de material o
polvo que se pego a la superficie de las navecillas y la lente del microscopio los detecto,
así que se definen como impurezas.
• Para 70%
Figura 5.50 Color y aspecto de los vidrios para una concentración de 70%.
A esta concentración es donde se nota una coloración diferente para cada par de
vidrios que se preparo, se nota a simple vista colores blancos verdes y rojizos, algunos
más opacos que otros, para las combinaciones que tiene fierro siguen siendo las de color
mas intenso y las de cadmio con aluminio se ven como si estuvieran muy pegadas a la
superficie y también son los ejemplares mas opacos, los demás tiene como una capa fina
transparente que los hace ver mas lisos y brillantes y como si los cristales estuvieran
protegidos, algunos también se ve como el color no es parejo a lo largo de toda la
navecilla.
107
La siguiente tabla contiene fotografías en microscopio de cada una de las
navecillas que se muestran en la Figura 5.27.
Tabla 5.34 Color de los vidrios obtenidos de las fotografía para cada metal con el microscopio estereoscópico
NaOH 70% Ca(OH)2
Cd-Al
Cd-Al
Cd-Pb
Cd-Pb
Cd-Fe
Cd-Fe
Al-Pb
Al-Pb
Al-Fe
Al-Fe
Pb-Fe
Pb-Fe
108
Para las dos primeras combinaciones el color es blanco y opaco esto se
comprueba una vez mas si se observa el reflejo de la luz que esta en todas las
fotografías, la textura es densa si se ve en la Figura 5.27 parecieran de color azul claro
pero si se tiene la navecilla para observarla de manera directa se observa el color blanco,
para la mezcla de cadmio y fierro, el color es rojizo para el que fue tratado con NaOH y
verdoso para el de Ca(OH)2 los dos son brillantes y se ve la formación de cristales a lo
largo de la navecilla, para el aluminio con plomo el que fue tratado con Ca(OH)2 es mas
opaco que con NaOH, y los cristales también se ven mejor en lo fotografía de la
izquierda, la combinación de aluminio con fierro se ve moteada la coloración para
ambos, se intensifica el color en las orillas de la navecilla, las dos muestras presentan
brillo que les proporciona la capa fina transparente que se ha formado en la mayoría de
las navecillas y no solo a este porcentaje, para plomo con fierro el color es el mas
intenso y se ve mas parejo con NaOH que con Ca(OH)2, lo mismo sucede para el brillo
la formación de cristales también es mas clara para el primer caso.
Para las navecillas que se ha analizado hasta ahora se puede observar un
comportamiento similar en las combinaciones en cuanto a brillo, textura, y formación de
cristales, en la coloración no ya que para 70% obviamente predominó el color que
proporciona el metal que esta en mayor cantidad, con sus excepciones por que para el
aluminio con fierro se esperaría color blanco y quedó en tonos de rojo, pero para el
cadmio en cualquiera de las proporciones que se han manejado presenta color blanco y
opaco, para los otros dos óxidos de plomo y fierro las diferencias ya se han especificado
por estos si varían respecto a la concentración.
109
Figura 5.51 Cristales de mezclas de vidrio, lado izquierdo superior cadmio-aluminio tratados con Ca(OH)2, lado derecho superior plomo- fierro tratados con NaOH, inferior centro cadmio-fierro con
NaOH, todas tomadas con un microscopio Zeiss de alta resolución.
La formación que presentan las capas de vidrio para el cadmio con aluminio
(superior izquierda) comparando el brillo con las demás fotografías es más opaco, para
el plomo con fierro la imagen se tomo en una parte de la navecilla donde el color es mas
tenue por eso se ve claro pero el brillo se nota, cabe señalar que fue la primera que se
observo en el microscopio por eso también se ve con menos calidad que las demás, para
la ultima fotografía del centro la coloración inmediatamente se nota más oscura que las
demás pero con mas brillo, si se observa detenidamente se puede ver la capa fina
transparente que se ha venido mencionando en la descripción de esta y otras imágenes
del vidrio, por que esta es de cadmio con fierro donde el color rojo y es una de las
muestras que tuvo mayor intensidad en el mismo.
110
La forma de los cristales siguen siendo en formas geométricas como cuadrados,
triángulo y rectángulos, las impurezas que detecta el microscopio siguen presentes por
que a simple vista son imperceptibles.
• Para 100%
Figura 5.52 Color y aspecto de los vidrios para una concentración de 100%.
Como se observa en la figura anterior solo son dos navecillas para esta
concentración, las dos son con óxido de fierro únicamente, el color esta en tonos rojizos
arenque mas intenso para una navecillas que para otra, el color tampoco se ve parejo a
lo largo de la superficie, esta característica ha predominado en los vidrios que
contienen fierro.
Para una explicación y descripción más amplia se hace con las fotografías del
microscopio estereoscópico.
111
Tabla 5.35 Color de los vidrios obtenidos de las fotografía para cada metal con el microscopio estereoscópico
NaOH 100% Ca(OH)2
Fe
Fe
La coloración para el óxido de fierro tratado con NaOH es mas intensa que para
el que se trato con Ca(OH)2, la formación de cristales se ve clara, y el brillo que
proporciona la capa fina transparente sigue existiendo se puede ver también el reflejo de
la luz en la franja blanca que aparece en ambas imágenes como es pareja.
Figura 5.53 Cristales de dos mezclas de vidrio, lado derecho óxido de fierro con NaOH y lado izquierdo óxido de fierro con Ca(OH)2 tomadas con un microscopio Zeiss de alta resolución.
Los cristales son muy parecidos para el óxido de fierro, presentan formas en
general de cuadrados, triángulos y rectángulos, las impurezas no faltaron en estas
muestras, tienen buen vidrio y aquí se aprecia la capa transparente que se los
proporciona.
112
Se encontró en la literatura que la forma cristalina de los metales de trabajo es en
forma de cubo generalmente y si se observa las figuras de los cristales con mayor
resolución en todas predomina la forma cuadrada, y si se examinan las navecillas con
detenimiento y una buena iluminación se podrán ver la forma cúbica de los cristales.
5.9 Análisis económico Para cualquier trabajo que se realice ahora es necesario hacer una estimación del
costo para que en caso de que se llegara a realizar se tenga un presupuesto de cuanto
debe ser la inversión, saber el valor presente y predecir un valor futuro tomando en
cuenta tasa de interés y el tiempo de vida de la planta, con esto se sabrá el tiempo de
recuperación.
Ahora ya se sabe cuales son las materias primas necesarias para la obtención de
óxidos metálicos a nivel laboratorio, cuanto se produce de lodos por litro de agua
residual que es la materia que finalmente nos interesa para la síntesis de los metales y
conseguir los pigmentos
El paso siguiente es investigas los costos de materias primas que son las sales
metálicas y los hidróxidos para la precipitación de los lodos, hacer las comparaciones
con los que se obtuvo en el proceso, de producción de óxido para ver si es viable
económicamente este experimento a nivel laboratorio.
113
Tabla 5.36 Costo de materia primas para el proceso de elaboración de pigmentos inorgánicos.
Materia prima Costo ($)
Sulfato de aluminio (Kg) $126.00 Sulfato de hierro (Kg) $86.00
Sulfato de cadmio (Kg) $76.00 Sulfato de plomo (Kg) $224.00
Hidróxido de calcio (Kg) $1,113.34Hidróxido de sodio (L) $32.00
Agua residual (L) $6.87 Pigmentos (Kg) $30.27
Tabla 5.37 Costo total que genera los gramos de metal añadidos para la precipitación alcalina.
g de metal añadidos/L Costo ($)
cadmio 0.0685714 $ 0.01 aluminio 1.0133333 $ 0.13
plomo 0.0731884 $ 0.02 fierro 1.4892857 $ 0.13 fierro 2.14286 $ 0.18
$ 0.46
Tabla 5.38 Costo total que genera la adición de hidróxido de sodio como agente precipitante
ml agente NaOH
añadidos/LCosto ($)
cadmio 6.7 $ 0.21 aluminio 9.7 $ 0.31
plomo 8.9 $ 0.28 fierro 12.7 $ 0.41
$ 1.22
Tabla 5.39 Costo total que genera la adición de hidróxido de calcio como agente precipitante.
114
g agente Ca(OH)2añadidos/L Costo ($)
cadmio 0.70379 $ 0.78 aluminio 0.81452 $ 0.91
plomo 0.81452 $ 0.91 fierro 1.00739 $ 1.12
$ 3.72
Ahora que ya se sabe que costo total a nivel laboratorio para lo que se añadió de
sales metálicas y agentes precipitantes es $5.40 pesos aproximadamente, sumándole el
costo los 80 litros de agua residual que se ocupan que es, $549.60 pesos, da un total de
$555.00 aproximadamente de materias primas para iniciar el proceso de elaboración de
pigmentos inorgánicos a nivel laboratorio.
Si se generan aproximadamente 5g de óxido de metal con hidróxido de sodio y
24g de óxido de metal con hidróxido de calcio, y el costo promedio de pigmentos en el
mercado asciende a $30.27 pesos por kilogramo, la ganancia por los óxidos producidos
es de, $0.85 pesos.
Con esto se puede concluir que es mas alto el costo que se necesita para empezar
el proceso de producción de pigmentos inorgánicos, que la ganancia por vender lo que
se produce.
Aunque actualmente los pigmentos inorgánicos con muy utilizados para la
coloración de cerámica, loza, Talavera etc.